EP3776069A1 - Systeme optique de detection et de suivi de mouvements oculaires, monture externe et lentille de contact connectee associees - Google Patents

Systeme optique de detection et de suivi de mouvements oculaires, monture externe et lentille de contact connectee associees

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Publication number
EP3776069A1
EP3776069A1 EP19715471.9A EP19715471A EP3776069A1 EP 3776069 A1 EP3776069 A1 EP 3776069A1 EP 19715471 A EP19715471 A EP 19715471A EP 3776069 A1 EP3776069 A1 EP 3776069A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical system
contact lens
photoreceptors
eye
frame
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19715471.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Louis De Bougrenet
Cyril Lahuec
Vincent NOURRIT
Fabrice Seguin
Francesco FERRANTI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Telecom ParisTech
Institut Mines Telecom IMT
Original Assignee
Telecom ParisTech
Institut Mines Telecom IMT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Telecom ParisTech, Institut Mines Telecom IMT filed Critical Telecom ParisTech
Publication of EP3776069A1 publication Critical patent/EP3776069A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0093—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for monitoring data relating to the user, e.g. head-tracking, eye-tracking
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02C—SPECTACLES; SUNGLASSES OR GOGGLES INSOFAR AS THEY HAVE THE SAME FEATURES AS SPECTACLES; CONTACT LENSES
    • G02C11/00—Non-optical adjuncts; Attachment thereof
    • G02C11/10—Electronic devices other than hearing aids
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02C—SPECTACLES; SUNGLASSES OR GOGGLES INSOFAR AS THEY HAVE THE SAME FEATURES AS SPECTACLES; CONTACT LENSES
    • G02C7/00—Optical parts
    • G02C7/02—Lenses; Lens systems ; Methods of designing lenses
    • G02C7/04—Contact lenses for the eyes
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality

Definitions

  • the present invention relates to an optical system for detecting and tracking eye movements of an individual combined with an external frame associated with a contact lens connected for the implementation.
  • the lens is a completely autonomous system and embedded in at least one eye of an individual.
  • the mount can be a spectacle frame or integrated into an augmented reality headset or a head-up display (HUD).
  • HUD head-up display
  • the determination of the closure and the positions of the eye is carried out by the acquisition of data from the bio-signal, for example an electro-oculogram (EOG).
  • EOG electro-oculogram
  • a magnetic contact lens whose motion detection is provided by magnetic sensors.
  • a small magnet deposited on the surface of the lens generates a magnetic field that is detected by external magnetic sensors. These are arranged in specific places related to the face. These magnetic sensors detect the small temporal variations of the intensity of the field due to the movements of the eye.
  • the detection circuit is constituted by another coil mounted in an external system, such as a spectacle frame.
  • the fluctuation is caused by a change of alignment between the first and the second coil and is thus used to detect the movement of the eyes.
  • This system is proposed to detect falling asleep following rapid eye movements (REM).
  • Another solution consists in associating a communicating mount with a connected contact lens provided with optical sensors.
  • the mount allows information to be communicated and energy to be transferred to power the contact lens.
  • LEDs light-emitting diodes
  • IRPs infrared photoreceptors
  • Another chosen way has implemented the interruption of a beam reflected by the eye, from an LED to a PIR arranged side by side on the mount [8], [9]
  • the object of the invention is to at least partially meet this need.
  • the subject of the invention is an optical system for detecting and monitoring eye movements of an individual, comprising:
  • a mount intended to be worn on the face of the individual, comprising:
  • a plurality of illumination sources is provided.
  • a plurality of photoreceptors adapted to be illuminated individually or not by the sources of the frame, the photoreceptors being electrically connected individually to the integrated circuit, the photoreceptors being arranged in the contact lens so that the processing by the processor of the signals emitted by the photoreceptors allows to know the relative positions and speeds of rotation of the eye as well as the blinking of the eyelid of the eye,
  • a wireless communication transmitter connected to the processor of the integrated circuit, for transmitting the signals processed by the processor of the integrated circuit so that they are transferred to an external processor.
  • the mount comprises an emitter antenna for communicating and supplying energy and the transmitter comprises a storage element for electrical energy, for example a micro-battery.
  • the invention essentially consists in directly integrating photoreceptors, preferably photodiodes, as well as an autonomous integrated circuit with a processor in a contact lens.
  • the variation of the signal provided by the photoreceptors not only allows to detect the closure of the eyelid but the movements of the eye.
  • a mathematical treatment of the electrical signals from the photoreceptors, advantageously by calculation of barycentres, by the processor of the integrated circuit in the lens makes it possible to obtain a better representation of the closing / opening moments of the eyelid and the relative positions of the eye.
  • Barycentres can be calculated from two or more photoreceptors.
  • centroids has the advantages of being simple and not being too energy intensive. In the context of the invention, other more sophisticated types of treatment may be provided.
  • the signal processing is carried out for each eye by a contact lens according to the invention.
  • the signals processed, independently by each lens are sent wirelessly and processed by a processor integrated in the frame.
  • the mount's processor can correct any errors and extract the ocular vergence information.
  • the solution according to the invention can make it possible to achieve an angular accuracy of less than 1 ° and an angular velocity of less than 500 ° / s, accuracies not attained by current commercial products or hardly attained by the solutions according to the state of the art. art and in no case in an eye tracking context, embedded which is robust and low cost as the system according to the invention.
  • the mount may be a spectacle frame or augmented reality headset or a head-up display (HUD).
  • HUD head-up display
  • the sources of illumination are preferably light-emitting diodes (LEDs) or surface-emitting vertical cavity laser diodes (VCSELs).
  • LEDs light-emitting diodes
  • VCSELs surface-emitting vertical cavity laser diodes
  • the illumination sources are arranged on the entire periphery of the frame rim.
  • the contact lens is preferably a rigid or hybrid (semi-rigid) scleral lens.
  • a scleral lens has the advantage of not moving, which is advantageous for such a device embedded on the eye.
  • the illumination sources are arranged such that when the mount and the contact lens are carried by the individual, their illumination cones overlap at least partially at the contact lens.
  • the illumination sources are arranged so that, when the frame and the contact lens are carried by the individual, they create a substantially uniform illumination on a flat surface tangent to the center of the contact lens.
  • the illumination sources each comprise a shaping optics so that, when the frame and the contact lens are worn by the individual, they each create a more concentrated lighting beam towards a point. of the contact lens.
  • the photoreceptors are preferably sensitive photodiodes, emitting radiation in the infrared, consisting of light emitting diodes (LEDs or LEDs in English).
  • the system comprises a first group of photoreceptors, comprising at least four photoreceptors arranged in two-to-two distribution on each side and equidistant from the axis of symmetry (X) of the contact lens, intended to be positioned horizontally when the lens is carried by the eye.
  • the four photoreceptors of the first group are advantageously distributed two-by-two on either side of the axis of symmetry (Y) of the contact lens, intended to be positioned vertically when the lens is carried by the eye.
  • This arrangement of photoreceptors of the first group makes it possible to measure with great accuracy the movements of the eye in the horizontal plane
  • the system comprises a second group of photoreceptors, comprising at least three photoreceptors arranged in alignment along the axis of symmetry (Y) of the contact lens, intended to be positioned vertically when the lens is carried by the eye.
  • Y axis of symmetry
  • At least two photoreceptors of the second group being arranged in the upper part of the contact lens.
  • This arrangement of photoreceptors of the second group makes it possible to measure with great precision the orientation of the eye in the vertical axis and the blinking of the eyelids.
  • the photoreceptors are preferably each surmounted by a chromatic filter in the infrared. Such a filter makes it possible to overcome problems related to ambient light (variations, noises, etc.).
  • the processing by the processor of the integrated circuit comprises the calculation of the barycentres of the contributions of the electrical signals of the photodetectors.
  • the wireless communication transmitter may be a modulator associated with a radio frequency (RF) antenna or an infrared (IrDA) transmitter.
  • RF radio frequency
  • IrDA infrared
  • the lens may comprise one or more reconfigurable control circuits of the SWIPT type (by the external setpoint received by the RF antenna of the contact lens.) This circuit (s) ) control allows (tent) to reconfigure some of its functions of the lens and interact with G external environment.
  • the contact lens may include means for recovering and converting mechanical, light or chemical energy from the tears of the eye, to electrically power the integrated circuit.
  • the lens comprising means for storing electrical energy. It can be an electric micro-battery.
  • the frame comprising:
  • a wireless communication receiver adapted to receive the waves emitted by the emitter of said at least one contact lens
  • a processor for processing the signals received by the receiver.
  • the system comprises two contact lenses, each intended to be carried by an eye of the individual, the processing of the signal by the processor of the frame being adapted to extract the ocular vergence information, center and direction of gaze in space.
  • the wireless communication receiver is a modulator associated with a radiofrequency (RF) antenna or an infrared (IrDA) emitter.
  • RF radiofrequency
  • IrDA infrared
  • the contact lens has the electronics necessary to convert the RF power into electrical power supply.
  • FIG. 1 is a diagrammatic front view of an exemplary optical system for detecting and tracking eye movements according to the invention with an eyeglass frame and a contact lens according to the invention in their positions carried respectively by the face and the eye of an individual
  • FIG. 2 is a front view of an example of a contact lens according to the invention.
  • FIG. 3 is a schematic side view of an optical system according to FIG. 1;
  • FIG. 4 is a synoptic view showing the operation of an optical system according to the invention
  • FIG. 5 is a front view of a contact lens according to an advantageous variant of the invention.
  • an optical system designated generally by the reference 1 for the detection and monitoring of eye movements of an individual.
  • the optical system 1 comprises an eyeglass frame 2 and at least one contact lens 3 carried by the eye of an individual near the strapping of the frame.
  • the frame 2 supports illumination sources 20 distributed over the entire periphery of the two hoops. These sources may be light-emitting diodes (LEDs) or surface-emitting vertical cavity laser diodes (VCSEL) for "Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser”.
  • LEDs light-emitting diodes
  • VCSEL surface-emitting vertical cavity laser diodes
  • the light emitted in the infrared by these sources 20 can be coherent (VCSEL) or weakly coherent (LED).
  • the mount 2 supports a wireless communication receiver 21. It may be an RF antenna with an RF demodulator, or an IrDA receiver (Infrared Data Association).
  • the mount 2 also incorporates a signal processing processor 22.
  • the contact lens 3 preferably a rigid or hybrid scleral lens, encapsulates a plurality of photoreceptors 30, preferably photodiodes, arranged in one or more different crowns and angular sectors.
  • the transmitter 31 may be an RF antenna or an IrDA transmitter.
  • An autonomous integrated circuit 32 is also encapsulated inside the contact lens 3.
  • the RF antenna of the transmitter 31 can act as a receiving antenna for the electrical power supply of the photoreceptors 20 and the autonomous integrated circuit 32. This electrical energy can be advantageously sent from the RF antenna 21 of the frame.
  • the contact lens 3 preferably incorporates a micro-battery for possibly storing electrical energy.
  • Each photoreceptor 30 may be provided with a color filter in the infrared 33, which makes it possible to overcome problems related to ambient light (variations, noises, etc.).
  • the operation of the optical system 1 which has just been described will now be described in connection with FIGS. 3 and 4.
  • system 1 is calibrated by illuminating the photoreceptors 30 in order to overcome a positioning error from the outset.
  • the initial position of the eye, carrying the contact lens 3 is thus calculated, which allows a direct measurement on the lens.
  • the calibration process may include calculating a center of gravity to balance the photocurrents when the user looks straight ahead at the initial start-up time.
  • each illumination source 20 can emit a lighting cone C which illuminates one or more photoreceptors 30.
  • the illumination cones C of the sources 20 may overlap at least partially at the contact lens.
  • the illumination can be performed continuously or in pulsed mode, for example in strobe mode.
  • the sources 20 create an almost uniform illumination on a flat surface tangent to the center of the contact lens 3. This corresponds to a position of the eye in fixing at infinity .
  • the number, position and orientation of these sources are determined by a criterion of luminous power and uniformity of illumination on said surface whose size is equivalent to the base of the largest meniscus of the contact lens.
  • the sources 20 may be equipped with a shaping optics creating a more concentrated beam or generating a particular shape on the contact lens.
  • the size of the illumination task of each source 20 is in proportion to the size of each photoreceptor 30 of the contact lens 3. In this second configuration, there is no overlap between the illumination beams.
  • Each photoreceptor 30 then receives a beam from an illumination source.
  • the lighting is continuous.
  • the processor 34 integrated in the autonomous circuit 32 then performs an analog processing including the calculation of the barycentre or barycentres of the contributions of the electrical signals (voltage or current) of the photodetectors 30.
  • the variation of the signal supplied by the photoreceptors 30 not only makes it possible to detect the closing / opening moments of the eyelid and the relative positions of the eye, as a function of the positioning of said photodetectors.
  • the signals After having been converted into digital signals by an analog-digital converter 35, the signals are emitted by the transmitter 31, an RF transmitter in the example illustrated in FIG. 4.
  • the wireless communication receiver 21 integrated in the frame 2 then receives the signals from the transmitter 31 of each contact lens 3.
  • the processor 22 integrated in the frame 2 then carries out a correlation processing between the signals coming from the two contact lenses 3.
  • This correlation processing makes it possible, on the one hand, to correct possible errors and, on the other hand, to obtain the information ocular vergence of the individual.
  • Figure 5 shows an advantageous arrangement of the photoreceptors 20 on a contact lens 3.
  • At least four photoreceptors 30.1 are arranged in two-by-two distribution on each side and equidistant from the axis of symmetry (X) of the contact lens 3.
  • This axis of symmetry X is that positioned horizontally, when the lens 3 is carried by the eye.
  • the four photoreceptors 30.1 are distributed two-by-two on either side of the axis of symmetry (Y) of the contact lens 3.
  • This axis of symmetry Y is the one positioned vertically, when the lens is carried by the eye.
  • the four photoreceptors 30.1 are not necessarily on the same diameter, as is apparent from FIG.
  • These four photoreceptors 30.1 are dedicated to measuring movements in the horizontal plane.
  • At least three photoreceptors 30.2 are arranged aligned along the axis of symmetry (Y) of the contact lens. As shown in Figure 5, it is preferable that these photoreceptors 30.2 are more numerous in the upper part than in the lower part of the lens 3 to measure the blink.
  • At least three of these photoreceptors 30.2 are dedicated to measuring the orientation in the vertical axis and the blinking of the eyelids.
  • the mount can be integrated into an augmented reality headset or a head-up display (HUD).
  • HUD head-up display
  • the contact lens can incorporate a micro-battery for storing the electrical energy necessary for the operation of the photoreceptors and the autonomous integrated circuit.

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Abstract

La présente invention concerne un système optique de détection et de suivi de mouvements oculaires d'un individu. Elle consiste essentiellement à intégrer directement des photorécepteurs, de préférence des photodiodes, ainsi qu'un circuit intégré autonome avec processeur dans une lentille de contact. La variation du signal fourni par les photorécepteurs (tension ou courant) permet non seulement de détecter la fermeture de la paupière mais les mouvements de l'œil.

Description

SYSTEME OPTIQUE DE DETECTION ET DE SUIVI DE MOUVEMENTS OCUEAIRES, MONTURE EXTERNE ET EENTIEEE DE CONTACT CONNECTEE
ASSOCIEES
Domaine technique
La présente invention concerne un système optique de détection et de suivi de mouvements oculaires d’un individu combiné à une monture externe associée à une lentille de contact connectée pour la mise en œuvre.
La lentille est un système complètement autonome et embarqué dans au moins un œil d’un individu. La monture peut être une monture de lunettes ou intégrée dans un casque de réalité augmentée ou encore un écran d’affichage tête haute (HUD acronyme anglais pour « Head Up Display »).
Les applications de la présente invention sont nombreuses parmi lesquelles on peut citer : la commande visuelle à distance, la supervision d’actes chirurgicaux, la détection de fatigue etc.
Etat de la technique
La réalisation de dispositifs pour mesurer les paramètres d’attitude ou physiologiques du regard a fait et fait actuellement l’objet de nombreux développements.
En particulier, on trouve des réalisations de lentilles de contact intelligentes connectées : [1]·
En général, les mesures de paramètres physiologiques, par exemple la mesure de pression intraoculaire IOP [2], [3], ou la mesure de fluides, de type glycémie [1] ont été proposées et font l’objet de produits commercialisés.
Par ailleurs, il a déjà été proposé d’intégrer une antenne passive dans une lentille de contact, pour détecter l’orientation du regard : [4]
La demande de brevet US2012/281181, au nom de SONY, décrit une mise en œuvre récente d’une telle intégration, pour des applications de jeux vidéo.
Pour la mesure concomitante de position et de cinétique de paramètres oculométriques, tels que l’orientation du regard, les clignements et saccades des paupières, il a déjà été proposé d’utiliser un dispositif n’ayant pas recours à des caméras embarquées, suivi d’un traitement d’images. On pourra se référer à la publication [5] ou encore à la demande de brevet US2012/0281181.
Les dispositifs proposés qui s’affranchissent des caméras embarquées sont judicieux. En effet, soit les caméras sont à bas coût et elles ne permettent pas alors la mesure des mouvements rapides du fait de leur fréquence d’acquisition trop basse et/ou qu’elles fournissent des images bruitées de mauvaise qualité, imposant alors des traitements ralentissant la cadence. Soit, elles sont performantes mais peu compactes et plus coûteuses.
Une autre technique qui a été remise à jour met en œuvre un système électro- oculographique, comme décrit dans les demandes de brevet US2012/0281181, US2014/0198382, US2018/0027176.
Dans un tel système, la détermination de la fermeture et des positions de l'œil s’effectue par l’acquisition de données issues du bio-signal, par exemple un électro-oculogramme (EOG).
Pour ce faire, il a été proposé de mettre en œuvre une lentille de contact magnétique dont la détection du mouvement est assurée par des capteurs magnétiques. Ainsi, dans un mode de réalisation, un petit aimant déposé sur la surface de la lentille génère un champ magnétique qui est détecté par des capteurs magnétiques externes. Ces derniers sont disposés à des endroits précis en rapport avec le visage. Ces capteurs magnétiques détectent les faibles variations temporelles de l’intensité du champ dues aux mouvements de l’œil.
Encore plus récemment, il a été réalisé un système avec un circuit magnétique de détection de mouvement de l’œil pour capter une fluctuation de la puissance envoyée à la bobine intégrée sur la lentille de contact : [6] Le circuit de détection est constitué par autre bobine montée dans un système externe, tel qu’une monture de lunette. La fluctuation est causée par un changement d'alignement entre la première et la seconde bobine et est ainsi utilisée pour détecter le mouvement des yeux. Ce système est proposé pour détecter l’endormissement consécutif à des mouvements oculaires rapides (REM).
Dans les applications de détection de mouvements oculaires, différents types de détection de mouvement peuvent être nécessaires, tels que le mouvement horizontal et vertical, et le mouvement de torsion. Selon la précision requise et le type de détection de mouvement, chaque technique de l’art antérieur a ses avantages et ses inconvénients.
Une autre solution consiste à associer une monture communicante à une lentille de contact connectée pourvue de capteurs optiques. La monture permet de communiquer des informations et de transférer de l’énergie électrique pour alimenter la lentille de contact. Cette association qui a déjà été proposée représente une alternative intéressante en termes d’intégration et de miniaturisation, compte tenu des dernières avancées de l’électronique flexible.
Ainsi, il a été proposé l’utilisation de diodes électroluminescentes (LED), émettant dans l’infrarouge pour ne pas perturber la vision, équipant une monture de lunettes, qui viennent éclairer des photorécepteurs infrarouges (PIR) d’une lentille de contact ou de la monture, pour mesurer la fréquence des clignements de l’œil. Une première voie a consisté à interrompre le faisceau IR direct entre une LED et un PIR agencés de chaque côté de l’œil : [7]
Une autre voie retenue a mis en œuvre l’interruption d’un faisceau réfléchi par l’œil, depuis une LED jusqu’à un PIR agencés côte à côte sur la monture [8], [9]
Toutefois, ces deux systèmes ne permettent pas de détecter les mouvements de l’œil, indispensables dans une application d’oculométrie, avec une précision et vitesse suffisante.
Il existe donc un besoin d’améliorer les systèmes de détection et de suivi de mouvements oculaires, notamment en s’affranchissant des inconvénients précités.
Le but de l’invention est de répondre au moins partiellement à ce besoin.
Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention a pour objet un système optique de détection et de suivi de mouvements oculaires d’un individu comprenant :
- une monture, destinée à être portée sur le visage de l’individu, comprenant :
• une pluralité de sources d’illumination,
- au moins une lentille de contact, destinée à être portée par un œil de l’individu en regard de la monture, dans laquelle sont encapsulés :
• un circuit intégré autonome, intégrant un processeur de traitement des signaux,
• une pluralité de photorécepteurs, adaptés pour être illuminés individuellement ou pas par les sources de la monture, les photorécepteurs étant reliés électriquement individuellement au circuit intégré, les photorécepteurs étant agencés dans la lentille de contact de sorte que le traitement par le processeur des signaux émis par les photorécepteurs permet de connaître les positions relatives et vitesses de rotation de l’œil ainsi que les clignements de la paupière de l’œil,
• un émetteur de communication sans fil, relié au processeur du circuit intégré, pour émettre les signaux traités par le processeur du circuit intégré afin qu’ils soient transférés vers un processeur externe.
De préférence, la monture comprend une antenne émettrice permettant de communiquer et d’apporter de l’énergie et l’émetteur comprend un élément de stockage de l’énergie électrique, par exemple une micro-batterie.
Ainsi, l’invention consiste essentiellement à intégrer directement des photorécepteurs, de préférence des photodiodes, ainsi qu’un circuit intégré autonome avec processeur dans une lentille de contact. La variation du signal fourni par les photorécepteurs (tension ou courant) permet non seulement de détecter la fermeture de la paupière mais les mouvements de l’œil. Un traitement mathématique des signaux électriques issus des photorécepteurs, avantageusement par calcul de barycentres, par le processeur du circuit intégré dans la lentille permet d’obtenir une meilleure représentation des instants de fermeture/ouverture de la paupière et des positions relatives de l’œil.
Les barycentres peuvent être calculés à partir de deux photorécepteurs ou plus.
Le calcul des barycentres présente comme avantages d’être simple et ne pas être trop consommateur en énergie. Dans le cadre de l’invention, on peut prévoir d’autres types de traitement plus sophistiqués.
Le traitement du signal est réalisé pour chaque œil par une lentille de contact selon l’invention.
Puis, les signaux traités, indépendamment par chaque lentille, sont envoyés par communication sans fil et traités par un processeur intégré dans la monture. En corrélant les informations des signaux provenant des deux lentilles de contact, le processeur de la monture peut corriger des erreurs éventuelles et extraire les informations de vergence oculaire.
La solution selon l’invention peut permettre d’atteindre une précision angulaire inférieure à 1° et de vitesse angulaire inférieure à 500°/s, précisions non atteintes par les produits commerciaux actuels ou difficilement atteintes par les solutions selon l’état de l’art et en aucun cas dans un contexte de suivi de l’œil, embarqué qui est robuste et bas coût comme le système selon l’invention.
La monture peut être une monture de lunette ou d’un casque de réalité augmentée ou d’un écran d’affichage tête haute (HUD).
Les sources d’illumination sont de préférence des diodes électroluminescentes (DEL) ou des diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL).
Avantageusement, les sources d’illumination sont agencées sur toute la périphérie du cerclage de monture.
La lentille de contact est de préférence une lentille sclérale rigide ou hybride (semi- rigide). Une lentille sclérale présente l’avantage de ne pas bouger, ce qui est avantageux pour un tel dispositif embarqué sur l’œil.
De préférence, les sources d’illumination sont agencées de sorte que, lorsque la monture et la lentille de contact sont portées par l’individu, leurs cônes d’éclairage se chevauchent au moins partiellement au niveau de la lentille contact.
Selon une première variante, les sources d’illumination sont agencées de sorte que, lorsque la monture et la lentille de contact sont portées par l’individu, elles créent un éclairage sensiblement uniforme sur une surface plane tangente au centre de la lentille de contact. Selon une deuxième variante, les sources d’illumination comprennent chacune une optique de mise en forme de sorte que, lorsque la monture et la lentille de contact sont portées par l’individu, elles créent chacune un faisceau d’éclairage plus concentré vers un point de la lentille de contact.
Les photorécepteurs sont de préférence des photodiodes sensibles, émettant un rayonnement dans l’infrarouge, constituées par des diodes électroluminescentes (DEL ou LED en anglais).
Selon un mode de réalisation avantageux, le système comprend un premier groupe de photorécepteurs, comprenant au moins quatre photorécepteurs agencés en étant répartis deux-à- deux de part et d’autre et à égale distance de l’axe de symétrie (X) de la lentille de contact, destiné à être positionné à l’horizontal lorsque la lentille est portée par l’œil.
Selon ce mode, les quatre photorécepteurs du premier groupe sont avantageusement répartis deux-à-deux de part et d’autre de l’axe de symétrie (Y) de la lentille de contact, destiné à être positionné à la verticale lorsque la lentille est portée par l’œil. Cet agencement de photorécepteurs du premier groupe permet de mesurer avec une grande précision les mouvements de l’œil dans le plan horizontal
Selon un deuxième mode de réalisation avantageux, le système comprend un deuxième groupe de photorécepteurs, comprenant au moins trois photorécepteurs agencés en étant alignés selon l’axe de symétrie (Y) de la lentille de contact, destiné à être positionné à la verticale lorsque la lentille est portée par l’œil.
Avantageusement, au moins deux photorécepteurs du deuxième groupe étant agencés dans la partie supérieure de la lentille de contact. Cet agencement de photorécepteurs du deuxième groupe permet de mesurer avec une grande précision l’orientation de l’œil dans l’axe vertical et les clignements de paupières.
Les photorécepteurs sont de préférence chacun surmontés d’un filtre chromatique dans l’infrarouge. Un tel filtre permet de s’affranchir des problèmes liés à la lumière ambiante (variations, bruits, etc.).
Selon un mode de réalisation avantageux, le traitement par le processeur du circuit intégré comprend le calcul des barycentres des contributions des signaux électriques des photodétecteurs.
L’émetteur de communication sans fil peut être un modulateur associé à une antenne radiofréquence (RF) ou un émetteur infrarouge (IrDA).
La lentille peut comprendre un ou plusieurs circuits de commande reconfïgurables, de type SWIPT (acronyme anglais pour « Simultaneous Wireless Information and Power Transfer », par consigne externe reçue par l’antenne RF de la lentille de contact. Ce(s) circuit(s) de commande permet(tent) de reconfigurer certaines de ses fonctions de la lentille et en interaction avec G environnement extérieur.
La lentille de contact peut comprendre des moyens de récupération et de conversion d’énergie mécanique, lumineuse ou chimique provenant des larmes de l’œil, pour alimenter électriquement le circuit intégré.
La lentille comprenant des moyens de stockage de l’énergie électrique. Il peut s’agir d’une micro-batterie électrique.
Selon un mode de réalisation, la monture comprenant :
- un récepteur de communication sans fil, adapté pour recevoir les ondes émises par l’émetteur de ladite au moins une lentille de contact ;
- un processeur de traitement des signaux reçus par le récepteur.
Selon ce mode et une variante avantageuse, le système comprend deux lentilles de contact, destinée chacune à être portée par un œil de l’individu, le traitement du signal par le processeur de la monture étant adapté pour extraire les informations de vergence oculaire, de centre et de direction du regard dans l’espace.
Selon une autre variante avantageuse, le récepteur de communication sans fil est un modulateur associé à une antenne radiofréquence (RF) ou un émetteur infrarouge (IrDA).
Avantageusement, on peut prévoir d’alimenter en énergie électrique les composants de la ou des lentilles (photorécepteurs, circuit intégré) par transmission depuis l’antenne RF de la monture, l’énergie transmise étant alors récupérée par l’antenne RF de la ou des lentilles de contact. Dans ce cas, la lentille de contact dispose de l’électronique nécessaire pour convertir la puissance RF en puissance électrique d’alimentation.
Description détaillée
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique de face d’un exemple de système optique de détection et de suivi de mouvements oculaires selon l’invention avec une monture de lunettes et une lentille de contact conformes à l’invention dans leurs postions portées respectivement par le visage et l’œil d’un individu
- la figure 2 est une vue de face d’un exemple de lentille de contact selon l’invention;
- la figure 3 est une vue schématique de côté d’un système optique selon la figure 1 ;
- la figure 4 est une vue synoptique montrant le fonctionnement d’un système optique selon l’invention; - la figure 5 est une vue de face d’une lentille de contact selon une variante avantageuse de l’invention.
Dans l’ensemble de la présente demande, les termes « vertical », « inférieur », « supérieur », « bas », « haut », « dessous » et « dessus » sont à comprendre par référence par rapport à un monture de lunettes et une lentille de contact telles qu’elles sont en configuration portées par un individu.
On a représenté à la figure 1, un système optique, désigné globalement par la référence 1, pour la détection et le suivi de mouvements oculaires d’un individu.
Dans un premier mode de réalisation, le système optique 1 selon l’invention comprend une monture de lunettes 2 et au moins une lentille de contact 3 portée par l’œil d’un individu à proximité du cerclage de la monture.
La monture 2 supporte des sources d’illumination 20 réparties sur toute la périphérie des deux cerclages. Ces sources peuvent être des diodes électroluminescentes (DEL) ou des diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL acronyme anglo-saxon pour « Vertical- Cavity Surface-Emitting laser »). La lumière émise dans l’infrarouge, par ces sources 20 peut être cohérente (VCSEL) ou faiblement cohérente (LED).
En outre, la monture 2 supporte un récepteur de communication sans fil 21. Il peut s’agir d’une antenne RF avec un démodulateur RF, ou d’un récepteur IrDA (acronyme anglo- saxon pour « Infrared Data Association »).
La monture 2 intègre en outre un processeur de traitement des signaux 22.
La lentille de contact 3, de préférence une lentille sclérale rigide ou hybride, supporte par encapsulation une pluralité de photorécepteurs 30, de préférence des photodiodes, agencées selon une ou plusieurs couronnes et secteurs angulaires différents.
Un émetteur de communication sans fil 31 adapté pour communiquer avec le récepteur 21 de la monture 2, est également encapsulé à l’intérieur de la lentille de contact 3.
L’émetteur 31 peut être une antenne RF ou un émetteur IrDA.
Un circuit intégré autonome 32 est également encapsulé à l’intérieur de la lentille de contact 3.
L’antenne RF de l’émetteur 31 peut agir comme une antenne de réception pour l’alimentation en énergie électrique des photorécepteurs 20 et du circuit intégré autonome 32. Cette énergie électrique peut être envoyée avantageusement depuis l’antenne RF 21 de la monture.
La lentille de contact 3 intègre de préférence une micro-batterie pour stocker éventuellement l’énergie électrique.
Chaque photorécepteur 30 peut être muni d’un filtre chromatique dans l’infrarouge 33, qui permet de s’affranchir des problèmes liés à la lumière ambiante (variations, bruits, ...). Le fonctionnement du système optique 1 qui vient d’être décrit va maintenant être décrit en relation avec les figures 3 et 4.
Au préalable, on procède à un calibrage du système 1 , en éclairant les photorécepteurs 30, afin de s’affranchir d’une erreur de positionnement dès le départ.
La position initiale de l’œil, portant la lentille de contact 3 est ainsi calculée, ce qui permet par la suite une mesure directe sur la lentille. Par exemple, le traitement de calibrage peut comprendre le calcul d’un barycentre afin d’équilibrer les photo-courants lorsque l’utilisateur regarde droit devant lui à l’instant initial de mise en service
Lorsque la monture 2 est portée par le visage d’un individu et une lentille de contact 3 est portée par chaque œil de l’individu, chaque source d’illumination 20 peut émettre un cône d’éclairage C qui vient éclairer un ou plusieurs photorécepteurs 30.
Les cônes d’éclairage C des sources 20 peuvent se chevaucher au moins partiellement au niveau de la lentille contact. L’éclairage peut être réalisé en continu ou en mode pulsé, par exemple en mode stroboscopique.
Selon une première configuration (option 1 de la figure 4), les sources 20 créent un éclairage quasi uniforme sur une surface plane tangente au centre de la lentille de contact 3. Cela correspond à une position de l’œil en fixation à l’infini. Le nombre, la position et l’orientation de ces sources 20 sont déterminés par un critère de puissance lumineuse et d’uniformité de l’éclairement sur ladite surface dont la taille est équivalente à la base du plus grand ménisque de la lentille de contact.
Dans une deuxième configuration (option 2 de la figure 4), les sources 20 peuvent être équipées d’une optique de mise en forme créant un faisceau plus concentré ou générant une forme particulière, sur la lentille de contact. La taille de la tâche d’éclairement de chaque source 20 est en proportion de la taille de chaque photorécepteur 30 de la lentille de contact 3. Dans cette deuxième configuration, il n’y a pas de chevauchement entre les faisceaux d’illumination.
Chaque photorécepteur 30 reçoit alors un faisceau provenant d’une source d’illumination.
Dans ces deux configurations, l’éclairage est continu. On peut aussi envisager d’utiliser un signal modulé dans le temps.
Le processeur 34 intégré dans le circuit autonome 32 réalise alors un traitement analogique comprenant le calcul du barycentre ou des barycentres des contributions des signaux électriques (tension ou courant) des photodétecteurs 30.
Grâce à ce calcul, la variation du signal fourni par les photorécepteurs 30 permet non seulement de détecter les instants de fermeture/ouverture de la paupière et des positions relatives de l’œil, en fonction du positionnement desdits photodétecteurs. Après avoir été converti en des signaux numériques par un convertisseur analogique- numérique 35, les signaux sont émis par l’émetteur 31, un émetteur RF dans l’exemple illustré de la figure 4.
Le récepteur 21 de communication sans fil, intégré dans la monture 2 reçoit alors les signaux provenant de l’émetteur 31 de chaque lentille de contact 3.
Le processeur 22 intégré dans la monture 2 réalise alors un traitement de corrélation entre les signaux provenant des deux lentilles de contact 3. Ce traitement de corrélation permet d’une part de corriger des erreurs éventuelles et d’autre part d’obtenir l’information de vergence oculaire de l’individu.
La figure 5 montre un agencement avantageux des photorécepteurs 20 sur une lentille de contact 3.
Selon cet agencement, au moins quatre photorécepteurs 30.1 sont agencés en étant répartis deux-à-deux de part et d’autre et à égale distance de l’axe de symétrie (X) de la lentille de contact 3. Cet axe de symétrie X est celui positionné à l’horizontale, lorsque la lentille 3 est portée par l’œil.
En outre, les quatre photorécepteurs 30.1 sont répartis deux-à-deux de part et d’autre de l’axe de symétrie (Y) de la lentille de contact 3. Cet axe de symétrie Y est celui positionné à la verticale, lorsque la lentille est portée par l’œil.
Les quatre photorécepteurs 30.1 ne sont pas nécessairement sur le même diamètre, comme cela ressort de la figure 5.
Ces quatre photorécepteurs 30.1 sont dédiés à mesurer les mouvements dans le plan horizontal.
Au moins trois photorécepteurs 30.2 sont agencés en étant alignés selon l’axe de symétrie (Y) de la lentille de contact. Comme visible sur la figure 5, il est préférable que ces photorécepteurs 30.2 soient plus nombreux dans la partie supérieure que dans la partie inférieure de la lentille 3 pour mesurer le clignement.
Au moins trois de ces photorécepteurs 30.2 sont dédiés à mesurer l’orientation dans l’axe vertical et les clignements de paupières.
Cet agencement combiné des photorécepteurs 30.1 et 30.2 permet d’extraire de manière très précise les variations d’orientation et de vitesse de la lentille de contact 3.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples de mise en œuvre qui viennent d’être décrits.
D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention. Par exemple, la monture peut être intégrée dans un casque de réalité augmentée ou dans un écran d’affichage tête haute (HUD).
La lentille de contact peut intégrer une micro-batterie pour le stockage de l’énergie électrique nécessaire au fonctionnement des photorécepteurs et du circuit intégré autonome.
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Claims

REVENDICATIONS
1. Système optique (1) de détection et de suivi de mouvements oculaires d’un individu comprenant :
une monture (2), destinée à être portée sur le visage de l’individu, comprenant :
• une pluralité de sources d’illumination (20),
au moins une lentille de contact (3), destinée à être portée par un œil de l’individu en regard de la monture, dans laquelle sont encapsulés :
• un circuit intégré autonome (32), intégrant un processeur de traitement des signaux,
• une pluralité de photorécepteurs (30), adaptés pour être illuminés individuellement ou pas par les sources de la monture, les photorécepteurs étant reliés électriquement individuellement au circuit intégré, les photorécepteurs étant agencés dans la lentille de contact de sorte que le traitement par le processeur des signaux émis par les photorécepteurs permet de connaître les positions relatives et vitesses de rotation de l’œil ainsi que les clignements de la paupière de l’œil,
• un émetteur de communication sans fil (31), relié au processeur du circuit intégré, pour émettre les signaux traités par le processeur du circuit intégré et transférés vers un processeur externe.
2. Système optique (1) selon la revendication 1, la monture étant une monture de lunette ou d’un casque de réalité augmentée ou d’un écran d’affichage tête haute (HUD).
3. Système optique (1) selon la revendication 1 ou 2, les sources d’illumination étant des diodes électroluminescentes (DEL) ou des diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL).
4. Système optique (1) selon l’une des revendications précédentes, les sources d’illumination étant agencées sur toute la périphérie du cerclage de monture.
5. Système optique (1) selon l’une des revendications précédentes, la lentille de contact étant une lentille sclérale rigide ou hybride.
6. Système optique (1) selon l’une des revendications précédentes, les sources d’illumination étant agencées de sorte que, lorsque la monture et la lentille de contact sont portées par l’individu, leurs cônes d’éclairage se chevauchent au moins partiellement au niveau de la lentille contact.
7. Système optique (1) selon l’une des revendications 1 à 5, les sources d’illumination étant agencées de sorte que, lorsque la monture et la lentille de contact sont portées par l’individu, elles créent un éclairage sensiblement uniforme sur une surface plane tangente au centre de la lentille de contact.
8. Système optique (1) selon l’une des revendications 1 à 5, les sources d’illumination comprenant chacune une optique de mise en forme de sorte que, lorsque la monture et la lentille de contact sont portées par l’individu, elles créent chacune un faisceau d’éclairage plus concentré vers un point de la lentille de contact.
9. Système optique (1) selon l’une des revendications précédentes, les photorécepteurs étant des photodiodes émettant un rayonnement dans l’infrarouge.
10. Système optique (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant un premier groupe de photorécepteurs (30.1), comprenant au moins quatre photorécepteurs agencés en étant répartis deux-à-deux de part et d’autre et à égale distance de l’axe de symétrie (X) de la lentille de contact, destiné à être positionné à l’horizontal lorsque la lentille est portée par l’œil.
11. Système optique (1) selon la revendication 9, les quatre photorécepteurs du premier groupe étant répartis deux-à-deux de part et d’autre de l’axe de symétrie (Y) de la lentille de contact, destiné à être positionné à la verticale lorsque la lentille est portée par l’œil.
12. Système optique (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant un deuxième groupe de photorécepteurs (30.2), comprenant au moins trois photorécepteurs agencés en étant alignés selon l’axe de symétrie (Y) de la lentille de contact, destiné à être positionné à la verticale lorsque la lentille est portée par l’œil.
13. Système optique (1) selon la revendication 12, au moins deux photorécepteurs du deuxième groupe étant agencés dans la partie supérieure de la lentille de contact.
14. Système optique (1) selon l’une des revendications précédentes, les photorécepteurs étant chacun surmontés d’un filtre chromatique dans l’infrarouge (33).
15. Système optique ( 1 ) selon l’une des revendications précédentes, le traitement par le processeur du circuit intégré comprenant le calcul des barycentres des contributions des signaux électriques des photodétecteurs.
16. Système optique (1) selon l’une des revendications précédentes, l’émetteur de communication sans fil étant un modulateur associé à une antenne radiofréquence (RF) ou un émetteur infrarouge (IrDA).
17. Système optique (1) selon l’une des revendications précédentes, la monture comprenant :
- un récepteur de communication sans fil (21) adapté pour recevoir les ondes émises par l’émetteur de ladite au moins une lentille de contact ;
- un processeur (22) de traitement des signaux reçus par le récepteur.
18. Système optique (1) selon la revendication 17, comprenant deux lentilles de contact, destinés chacune à être porté par un œil de l’individu, le traitement du signal par le processeur de la monture étant adapté pour extraire les informations de vergence oculaire, de centre et de direction du regard dans l’espace.
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